一种磁共振图像引导下的手术系统及手术导航方法

专利名称：一种磁共振图像引导下的手术系统及手术导航方法
技术领域：
本发明涉及一种手术系统及控制方法，特别是关于一种磁共振图像引导下的手术系统及手术导航方法。
背景技术：
介入手术是现代外科手术的一大发展方向，介入手术或介入治疗与传统外科手术的区别是它不需要开刀，只需要一个很小的创口即可将特制的导管、冷冻针、射频消融针、导丝等手术器械刺入到人体内的病灶部位或者手术靶点位置上，然后通过各种物理/化学作用达到治疗的目的，从而解决过去需要开放式手术才能解决的肿瘤切除、组织活检、人工器材放置等问题。介入手术具有不开刀、精确毁损、创伤小、恢复快等特点，被认为是未来很多传统开放式手术的理想替代方案。
在介入手术过程中，医生无法直接观察到病人体内的治疗部位或者病灶。为了保证手术过程的安全性和有效性，一种有效的方法是应用医学成像手段来进行介入手术规划、导航、治疗过程观察和治疗效果评估，实现手术全过程的图像引导和监控。根据不同疾病、不同部位、不同类型的介入治疗的特点，有不同的图像监控需求。其中磁共振成像因其图像分辨率高、软组织成像能力强、图像扫描方位可自由选择、可以检测组织温度、能清楚显示骨骼遮挡的病灶等多个优势，成为较为理想的介入治疗的图像引导和监控手段。磁共振引导介入手术治疗也是目前国际上科研和临床中的热点研发方向。而在现有技术中存在以下问题1、在进行磁共振成像过程中，梯度场的非线性会引起图像的几何变形，在不同的磁共振成像设备上以及同样的磁共振成像设备而不同的视野内图像的几何变形是不同的，因此需要对磁共振图像梯度变形进行校正，现有位置偏移量的校正方法可以分为两种一种是根据三维立体标定模的磁共振成像，通过图像分析的方法直接计算校正参数；另一种是应用磁场的描述函数-球谐函数计算成像空间内有限个控制点的偏移量。前一种方法计算过程复杂标定模制作成本高，而且需要对三维标定模摆放在不同位置反复成像和分析才能获得控制点的位置偏移量，实际操作困难。后一种方法中梯度线圈的设计参数只是图像变形的一个主要因素，并没有考虑磁共振系统的其他硬件和软件模块对图像变形所产生的影响，所以图像校正的结果往往达不到要求。
2、医生在进行磁共振介入治疗时，一般是凭借肉眼观察病灶的磁共振图像，凭经验将手术器械放置到目标位置，这种方式无法实时地观察到手术过程中介入手术器械和病灶部位或靶点之间的实际误差，会影响手术的质量，造成手术效果难以保证，甚至一旦误差较大，还要重复进行介入操作，使病人遭受较大的痛苦。因此，如何在磁共振图像引导的介入治疗中，引入空间定位精度很高的手术器械跟踪系统进行手术器械的三维空间定位，并将定位信息与磁共振图像进行准确的融合，是必须要解决的问题。
3、由于医生是手持手术器械，在将手术器械与病灶转换到同一个坐标系的导航模式中，手的抖动会带来误差，因此需要一台可以灵活调整手术器械夹持位置和方向的设备，而现有技术中没有现成的设备可以使用。
4、在将手术器械和病灶变化到同一系统中观察时，需要对系统中的各坐标系之间的关系进行变换，因此需要提供一个用于标定的立体标定模。
5、由于标定模中的特征点是一个球体，而磁共振成像设备所成的图像由于是积分得到的，同时由于有空间分辨率造成的成像体素大小的限制，另外部分容积效应等原因，造成得到特征点的图像产生失真，因此如何确定特征点的中心，也是需要解决的问题。

发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种在介入手术中能够实现磁共振图像引导下的手术系统及手术导航方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种磁共振图像引导下的手术系统，硬件部分包括磁共振成像设备，跟踪系统，手术器械，设置在所述磁共振成像设备上的病床，控制和显示设备，以及与各系统相连接的计算机及控制软件部分；其特征在于还设置有标定针和标定模，所述磁共振成像设备坐标系的位姿可被跟踪系统测量；与所述磁共振成像设备位置对应设置有至少一套构成世界坐标系的示踪器，所述世界坐标系的位姿可以被所述跟踪系统测量；所述手术器械上设置有作为手术器械坐标系的手术器械示踪器，所述手术器械坐标系的位姿可被跟踪系统测量；所述病床上设置有构成病床坐标系的病床示踪器，所述病床坐标系可被所述跟踪系统测量；所述标定针由一根具有一定长度的针和示踪器共同构成，其经过标定后的针尖接触某点，即可测量此点的位置；所述标定模内部和表面分别设置了一组不对称分布的特征点集I和特征点集II，所述特征点集I的特征点可被所述磁共振成像设备成像，所述特征点集II的特征点可被所述跟踪系统测量；特征点集I和特征点集II的相对位置关系已知；经标定后，可通过各坐标系之间的相互变换关系，将所述病灶坐标和手术器械坐标变换到同一个坐标系中。
一种采用上述磁共振图像引导下手术系统的手术导航方法，其包括以下步骤(1)在由磁共振成像设备、跟踪系统、手术器械和病床组成的系统中，磁共振成像设备自身具有磁共振成像设备坐标系，在位置不发生移动的地方安装示踪器构成世界坐标系，在所述手术器械上设置手术器械示踪器构成手术器械坐标系；(2)用磁共振成像设备测量标定模特征点集I的坐标，用跟踪系统测量特征点集II的坐标，通过这两组坐标数据标定出磁共振成像设备坐标系和世界坐标系之间的变换关系；(3)将载有患者的病床推入磁共振成像设备的成像区域，由磁共振成像设备提供病灶的图像数据和磁共振成像设备坐标系的位姿，由跟踪系统提供跟踪系统坐标系、手术器械坐标系的位姿，结合步骤2的标定结果建立各坐标系之间的变换关系；(4)利用坐标系的变换，将所述病灶与手术器械放到同一坐标系下观测；(5)根据病灶与手术器械相对位置的图像，移动手术器械，将其放置目标位置，进行手术治疗操作。
另一种采用上述磁共振图像引导下手术系统的手术导航方法，其包括以下步骤(1)在由磁共振成像设备、跟踪系统、手术器械和病床组成的系统中，磁共振成像设备自身具有磁共振成像设备坐标系，在位置不发生移动的地方安装示踪器构成世界坐标系，在所述手术器械上设置手术器械示踪器构成手术器械坐标系，在所述病床上或者与病灶相对位置不变处设置病床示踪器构成病床坐标系；(2)用磁共振成像设备测量标定模特征点集I的坐标，用跟踪系统测量特征点集II的坐标，通过这两组坐标数据标定出磁共振成像设备坐标系和世界坐标系之间的变换关系；(3)将载有患者的病床推入磁共振成像设备的成像区域，由磁共振成像设备提供病灶的图像数据，由跟踪系统提供病床坐标系的位姿信息；(4)将病床拖出磁共振成像设备的成像区域，移动至手术区域，由跟踪系统提供跟踪系统坐标系、病床坐标系和手术器械坐标系的位姿，由磁共振成像设备提供磁共振成像设备坐标系，结合步骤2的标定结果建立各坐标系之间的变换关系；(5)利用坐标系的变换，将所述病灶与手术器械放到同一坐标系下观测；(6)根据病灶与手术器械相对位置的图像，移动手术器械，将其放置目标位置，进行手术治疗操作。
上述各步骤(2)中用标定模对各坐标系标定时，采用了旋转量和平移量分开标定的方法，其步骤如下(a)利用磁共振成像设备1测量特征点集I各点在磁共振成像设备坐标系里的坐标Xiscan(i＝1，2，...，nph)，由坐标Xiscan生成L个向量Discan，这L个向量Discan分布在不同的方向；(b)利用跟踪系统2测量特征点集II各点在跟踪系统坐标系里的坐标，从而得到特征点集I各点在跟踪系统坐标系里的坐标Xitrack(i＝1，2，...，nph)，在跟踪系统坐标系生成和向量Discan一一对应的向量Ditrack；(c)这两组向量满足变换关系为RscantrackDiscan=Ditrack(i=1,2,...,nph);]]>(d)由方程组RscantrackDiscan=Ditrack(i=1,2,...,nhp)]]>可解出旋转矩阵Rscantrack，然后将它代入方程组RscantrackXiscan+Tscantrack=Xitrack(i=1,2,..,nph),]]>可解出Tscantrack，得到变换关系Cscantrack，进而得到磁共振成像设备坐标系和跟踪坐标系之间的变换关系Cscantrack。
再一种采用上述磁共振图像引导下手术系统的手术导航方法，其包括以下步骤(1)在病床上的患者体表设置至少三个与病灶之间无相对移动的导航标志，在所述手术器械上设置手术器械示踪器构成手术器械坐标系；(2)将载有患者的病床推入磁共振成像设备的成像区域，由磁共振成像设备提供病灶的图像数据和导航标志的图像数据；(3)将病床拖出磁共振成像设备的成像区域，移动至手术区域，首先用软件在病灶图像上提取导航标志在磁共振成像设备坐标系里的坐标，再用跟踪系统测量导航标志在跟踪系统坐标系里的坐标，根据这两组数据得到磁共振成像设备坐标系和跟踪系统坐标系之间的变换关系；(4)由跟踪系统提供跟踪系统坐标系、手术器械坐标系的位姿，由磁共振成像设备提供磁共振成像设备坐标系的位姿，结合步骤3的标定结果建立各坐标系之间的变换关系；(5)利用坐标系的变换，将所述病灶与手术器械放到同一坐标系下观测；(6)根据病灶与手术器械相对位置的图像，移动手术器械，将其放置目标位置，进行手术治疗操作。
上述各步骤(2)中用标定模对各坐标系标定时，在所述导航系统的软件程序中设置有通过对特征点集I中特征点成像结果进行球心定位的程序，其包括以下步骤(1)首先假设截面图上圆的面积S与截面在扫描方向上的坐标值之间满足正态分布；(2)沿球在同一轴向任意扫描三幅不同位置的截面圆图像，或扫描得到两幅不同位置的截面圆图像后，拟合出第三幅截面圆图像，由该截面圆面积与该截面圆在扫描方向的坐标值组成一组值；(3)将获得的三组值，拟合出一条高斯曲线，曲线上面积最大点对应的坐标值即为球心在该扫描方向上的坐标值；(4)按照同样的方法，得到球心在另外两个坐标轴方向的坐标值，将每一个轴向坐标值，组合在一起即为球心坐标。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1本发明由于在磁共振系统中对手术器械、病床等分别设置了示踪器，还设置了标定用标定模、标定针和导航标志等，因此用标定模进行标定后，无论是在磁共振成像设备成像的同时，还是移动或变化手术器械，甚至移动病床到其它位置，都可以在本发明导航系统的控制下，进行在线或离线或半离线等多种模式的介入治疗手术，并保证导航精度。2、本发明针对标定模上的特征点在磁共振成像设备成像过程中出现的球心位置不确定的问题，在软件成像中预置了一种基于三维高精度成像的球心定位程序，因此可以在进行标定模标定时，从磁共振图像中得到精确的球心位置，使本发明导航系统导航效果更加精确。3、本发明针对磁共振成像过程中，梯度场的非线性引起图像的几何变形的问题，根据实际图像反求磁共振校正参数，克服了梯度线圈设计参数与真实的磁场梯度参数存在差异的缺点，而且在反求磁场梯度参数的过程中，采取依次反求三个方向的磁场梯度参数的方法，提高了算法的收敛速度。4、本发明提供了一个夹持手术器械的手术器械导引仪，其起码可以提供十个可以调节的自由度，因此可以非常方便准确地使将穿刺针对准患者的病灶，并方便地插入病灶部位，一方面排除了操作者手部抖动带来的影响，另一方面减小了穿刺过程中手术器械的弯曲现象。5、本发明由于在磁共振成像设备检查治疗空间的顶部和两侧分别设置了一个线性激光器，因此可以通过每个线性激光器发出扇形平面激光形成在一个方向的保护，三个激光发出的光束与病床一起构成一宽度和高度限制空间，使超出限制空间的任何物体在进入磁共振成像设备时均会引发警报器报警，从而有效地避免了超高、超宽物体与磁共振成像设备发生碰撞，造成的危险和损坏，保护了患者和磁共振成像设备安全。本发明可以在获得最大的介入手术治疗效果的同时保证对病人的损害最小化，本方法可适用于多种介入治疗方式，包括射频、微波、聚焦超声刀、粒子植入等；本发明还可适用于穿刺活检、肿瘤/组织消融等多种治疗目标。


图1是本发明治疗系统硬件部分布置示意2是本发明导航系统示意3是本发明标定模结构示意4是本发明标定模一个面的特征点设置示意5是本发明标定模的特征点不对称分布示意6是采用磁共振成像设备所成图像示意7是图6三个截面位置的示意8是本发明沿三维坐标中的z轴扫描拟合出的高斯曲线图9是本发明球心定位几何关系示意10是本发明手术器械导引仪结构立体示意11是本发明下支架组件结构示意12本发明导引仪上支管、导向套、外壳、齿轮等连接示意13是图12的俯视示意14是本发明导引仪上横梁结构示意15是本发明导引仪上横梁与下支架连接处的接头结构示意16是本发明导引仪上横梁与调角器连接处的接头结构示意17是本发明导引仪调角器立体示意18是本发明导引仪调角器结构示意19是本发明导引仪调角器剖视示意20是图19的侧视剖视示意21是本发明导引仪介入导引组件示意22是本发明激光器保护器组成的立体空间示意23是本发明各激光器在磁共振成像设备设置位置示意24是本发明软件部分逻辑框25是本发明梯度校正程序示意26是本发明梯度校正模结构示意27是图26的侧视剖视示意28是本发明X轴上的磁场梯度在±30cm内的变化规律示意29是本发明等间距标志点的图像变化示意30是按照标志点的间距和直径计算公式设计的梯度校正模标志点示意31是本发明梯度校正中搜索校正参数流程32是本发明经梯度校正后x轴上的标志点示意33是本发明治疗方法手术规划流程34是本发明治疗方法手术实施流程图具体实施方式
以下通过实施例并结合附图对本发明进行详细的描述。
如图1、图2所示，本发明包括硬件和控制软件，其中硬件设备主要包括磁共振成像设备1，手术器械跟踪系统2，世界坐标系示踪器3，手术器械4及手术器械示踪器5，病床6及病床示踪器7，标定针8，标定模9，控制和显示设备10等。控制和显示设备10包括一个或多个控制台，比如本实施例包括磁共振控制台11、介入治疗控制台12、手术规划导航系统控制台13和手术室视频监控台14，磁共振兼容显示屏幕15(如液晶显示器)等，几个控制台也可以合并成一个总控制台。本发明硬件设备中还可以根据手术要求设置用于监控患者的生命信号监护系统16，与介入治疗控制台12连接的介入手术接驳台17等。
本发明磁共振成像设备1采用横置开放式永磁磁体结构，这种磁体结构避免了传统的桶形磁体结构对介入手术器械4进入人体角度和深度的限制，以及对跟踪系统2有效跟踪区域的限制，保证了实时介入手术导航模式的实现，保证病人在磁体中躺卧的状态下能够对人体各个部位进行介入手术。磁共振成像设备1用于对患者的病灶、标定模9内的特征点等成像，磁共振成像设备坐标系是磁共振成像设备1自身的属性，可以通过标定模9的标定建立它和其它坐标系之间的坐标变换关系。
本发明的跟踪系统2由位置传感器、工作站及相关电路等组成，跟踪系统2能够在跟踪系统的视场(保持测量精度的空间区域)内探测目标点的坐标，也能够测量目标坐标系的位置和姿态(称为位姿)信息，跟踪系统2可以是光学跟踪系统、电磁跟踪系统和机器人等。跟踪系统2利用其上的位置传感器对世界坐标系示踪器3、手术器械示踪器5、病床示踪器7等进行探测，完成对世界坐标系、手术器械坐标系和病床坐标系的位姿跟踪测量。
本发明的世界坐标系示踪器3、手术器械示踪器5和病床示踪器7都可以采用现有技术中由若干个(3个或3个以上)最小的示踪单位(比如表面具有荧光材料的示踪球)组成示踪器，此示踪单元的位置能直接被跟踪系统2里的位置传感器观测，从而示踪器3、5、7可分别作为一个坐标系，提供所依附设备的位姿信息。世界坐标系的位置一般与磁共振成像设备1连接在一起，也可以设置在其它位置，世界坐标系的位置在治疗中不产生移动。世界坐标系可以由一套或者多套示踪器3构成，如果将多套示踪器3安放在不同位置，在导航过程中可根据需要改变位置传感器的位置，保证位置传感器总能探测到其中的1个示踪器，从而得到世界坐标系的位姿。
本发明的手术器械4包括导管、导丝等精密器械，手术中被引入人体，对体内病灶进行诊断和局部治疗，手术器械4上连接有作为手术器械坐标系的手术器械示踪器5，由于手术器械4与手术器械示踪器5的物理尺寸和相对位置是确定的，因此手术器械4的位姿信息可以被跟踪系统2测量。
本发明的病床6上放置患者，并可相对磁共振成像设备1从起始位置运动到成像区域或手术区域等。在病床6上固定作为病床坐标系的病床示踪器7后，病床6的位姿信息就可以被跟踪系统2测量。在某些应用中(例如脑部的神经外科手术)，在病床6上的患者身体上固定有支架，此时也可将病床示踪器7固定在支架上。在病床6或者支架上放置示踪器7的目的都是在病灶发生移动的情况下准确跟踪病灶的位置。在病床6上放置示踪器7，当病灶和病床6无相对移动时，病床6的移动和病灶的移动是一样的；同样的，在支架上放置示踪器7，当病灶和支架无相对移动时，支架的移动和病灶的移动是一样的。在下面的叙述中，病床示踪器7也可理解为支架的示踪器，病床的位姿也可理解为支架的位姿，在数学符号上不作明显的区别。
本发明的标定针8是由一根具有一定长度的针和示踪器共同构成，由于针尖与示踪器的物理尺寸和相对位置是确定的，因此经过标定后，针尖的位置可以被跟踪系统2测量，从而利用标定针8的针尖接触某个点，就可以测量此点的位置。
本发明还可以在患者病灶附近的皮肤上设置导航标志18，导航标志18既能在磁共振成像设备1中成像，也能被跟踪系统2测量，通过注册可以计算出这两个坐标系之间的坐标转换关系。导航标志18有两个用途，一是验证跟踪精度，二是注册病灶图像，将图像和病灶实体对齐。上述注册是指有两组点的坐标数据，这两组点描述的是同一个物体，但由于两组点所在的坐标系不同导致其坐标不一样，通过注册可以计算出这两个坐标系之间的坐标转换关系。也叫做“配准”或“对齐”。
本发明的标定模9可以采用各种结构，本质上都是提供两组特征点集I和II，点集I能在成像设备中成像，从而得到点集I中每一个点在磁共振成像设备坐标系里的坐标，点集II能被跟踪系统测量，从而得到点集II中每一点在跟踪系统坐标系里的坐标。特征点集I与特征点集II之间的相对位置关系是已知的(称为标定模的几何信息)，即如果知道特征点集I各点的坐标，就能计算出特征点集II各点的坐标；如果知道特征点集II各点的坐标，也可以计算出特征点集I各点的坐标。下面仅举两个标定模实施例，加以说明。
实施例1如图3、图4所示，本实施例的标定模9包括由有机玻璃材料制成300mm×240mm×200mm的长方形标定模本体91，标定模本体91除底面外的其它五个面相似，每个面都具有一定厚度的特征层92，各面之间采用粘接或其它方式密封连接。在每一个特征层92内部都间隔设置有一组作为特征点93的球体(比如鱼肝油小球)，五个面的所有特征点93共同组成了特征点集I。在每一特征层92的外表面与每个特征点93的位置对应，设置一个作为特征点94的凹坑，五个外表面上的特征点94共同组成了特征点集II。在标定模本体91内部，即六个面包起来的空间内是标定模溶液95，也可以没有标定模溶液。标定模溶液95可以采用氯化钠溶液、硫酸铜溶液等，其具有提高负载和信噪比的作用。特征点集I中的特征点93可以被磁共振成像设备1成像，并能够根据获得的图像计算出其中心；特征点集II的特征点94只要通过标定针8点击，就能够被跟踪系统2识别。
上述实施例中，如果每个特征层92的特征点93、94是对称设置的，但是由于标定模本体1的两个背对背的面是对称的，不借助先验知识就不能知道某一点是处于这个面还是背对的那个面，那么在软件里注册时须人工通知软件特征点集I和II之间的点对应关系；如果在各面设置特征点93或特征点94时，选择不对称的空间分布(以特征点93为例，如图5所示)，即有的位置是空置的，则软件可自动寻找对应关系。本发明为了在注册运算时实现自动匹配，因此在标定模本体91中设置的特征点集I和特征点集II的特征点93、94均采用不对称分布。这种不对称分布包括特征点集I中的各特征点93不对称分布，也包括特征点集II中的特征点94不对称分布，还包括特征点集I的特征点93与特征点集II中的特征点94之间不具有一一对应的关系。尽管这些特征点93、94不对称分布，但是一旦标定模制作完成，各特征点93、94之间的相互位置便是确定的，可以将各特征点93、94标号输入计算机，以方便随时取用。
上述各标定模9主要是用于标定和检验各坐标系之间的相互位置，由于特征点集I的特征点93能够从磁共振成像设备1所成的图像中分析得到，特征点集II的特征点94能够被跟踪系统2识别测量得到，并且特征点集I与特征点集II之间的关系已知(称为标定模的几何信息)，只要知道其中特征点集I中特征点93(或者特征点集II中特征点94)的坐标，就能推算出特征点集II中特征点94(或特征点集I中特征点93)的坐标，通过它们之间的关系便可以建立磁共振成像设备坐标系和跟踪系统坐标系之间的变换关系。
然而，根据各种成像设备(磁共振成像设备、计算机断层扫描设备(CT)、C型臂X线设备、超声波成像系统等)的成像特点可知，当磁共振成像设备1对标定模9中的特征点93进行扫描时(如图6所示)，由于特征点93不是一个点，而是一个球体，扫描所得图像是积分得到的，并且所得到的图像并不规则，特别是距离设备扫描中心越远的位置，得到的图像变形越大(如图7中a、b、c所示)，因此不能从图像中直接得到球体的球心。为此，在本发明导航系统的软件程序中需要添加一种基于高精度成像的球心定位程序，下面具体描述如下如图8所示，为了得到特征点93真实的球心，本发明首先假设截面图上圆的面积S与截面在扫描方向上的坐标值之间满足正态分布；用磁共振成像设备1扫描特征点93，并沿同一轴向任意扫描三幅不同位置的截面圆图像，在扫描方向上的某一截面圆面积S和与该截面在扫描方向的坐标值可以组成一组值；由几何学可知，只要获得三组这样的值，就可以拟合出一条高斯曲线，曲线上面积最大点(峰值点)对应的坐标值就是球心在该扫描方向上的坐标值。曲线在z轴上的0点达到峰值，说明该点就是球心在z轴方向的坐标值。按照同样的方法，可以得到球心在另外两个坐标轴(x、y)方向的坐标值，将每一个轴向上利用三个截面计算出球心在这个轴向上的坐标值，组合在一起即可确定球心坐标。
在扫描过程中，有时可能会只得到两幅截面图，这时首先需要由这两幅图拟合出经过圆心的第三幅截面图，然后再用上述方法计算出球心的坐标位置。比如如图9所示，用一个平面去截一个球体(特征点93)，会得到一个圆，图中(x，y，z)代表球心坐标，d代表球心到截面圆的距离，R0代表球半径，r代表截面圆半径，(a，b，c)代表截面圆圆心，t1代表截面圆法线方向。它们之间存在这样的几何关系
d2+r2＝R02已知球体的近似半径R0是3mm，通过分析图像，可以得到截面圆的圆心坐标(a，b，c)、圆的面积S，利用圆面积S可以得到截面圆半径r，利用球心和圆心坐标可以得到球心到截面圆的距离d，从而可以利用公式(1)得到该轴向上的球心坐标(x，y，z)。
由几何关系，我们知道，只要知道了两个面的参数，就可以用几何的方法列出如下的联立方程，解出球心的坐标值来对第一个面(x-a1)2+(y-b1)2+(z-c1)2+S1π=R02x-a1t1x=y-b1t1y=z-c1t1z]]>这样可以解出两组值来，从几何上来讲是上下各一个。
对第二个面(x-a2)2+(y-b2)2+(z-c2)2+S2π=R02x-a2t2x=y-b2t2y=z-c2t2z]]>也可以解出两组值来，也是上下各一个。
上面解出的四个球心，应该有两个其实是同一点(当然肯定存在误差)。我们求一下每两点间的距离，l1，l2，l3，l4，则距离最小的两点应该就是正确的球心点，所以把这两点取平均，得到我们要的球心的初值。
有了球心的初值，还知道球半径R0，也就得到了过球心的截面圆信息，综合已有的两个截面圆信息，就可以利用本发明方法计算球心。由于已经有了三个截面圆的信息(圆心，半径)，可以计算出圆面积；由于圆心坐标值已知，也就得到了三组值，每组值由扫描方向上的某一截面圆面积和与该截面在扫描方向的坐标值组成，把这三组值作为高斯曲线上的点坐标，就可以拟合出一条高斯曲线，从而得到球心在该扫描方向上的坐标值。利用同样的方法，可以得到球心在另两个方向上的坐标值，从而得到球心位置坐标。
本发明导航系统的实质是将病灶图片和虚拟的手术器械放到同一个坐标系下观测，即同时显示在工作的屏幕上(可以是液晶屏幕、投影屏幕或者其它形式的显示器材)，并且屏幕上两者的相对位置和真实的病灶和手术器械的相对位置相同，从而医生通过观测屏幕既能看到病灶，也能看到手术器械，进而准确而快速地将手术器械送到目标位置。
采用本发明的导航系统，本发明可以完成以下两种工作模式(实时和非实时)的运行
工作模式一患者躺在病床6上，将病床6推入磁共振成像设备1的成像区域内，在扫描病灶的同时，实时地进行手术。其中，磁共振成像设备1提供病灶的图像数据，跟踪系统2提供手术器械4的位姿信息，利用坐标变换将病灶和手术器械4放到同一个坐标系下观测，同时显示在屏幕上，即医生在屏幕上看到的病灶和手术器械4的相对位置，就是实际的病灶和手术器械4的相对位置。
工作模式二患者躺在病床6上，将病床6推入磁共振成像设备1的成像区域内，得到病灶的图像，然后将病床6拖出至一地点进行手术(患者和病床之间无相互移动)，非实时地进行手术。其中，磁共振成像设备1提供病灶的图像数据，跟踪系统2提供手术器械3、病床6的位姿信息，利用坐标变换将病灶和手术器械4放到同一个坐标系下观测，同时显示在屏幕上，即医生在屏幕上看到的病灶和手术器械4的相对位置，就是实际的病灶和手术器械4的相对位置。
为支持以上两种工作模式，本发明系统支持以下三种导航模式，在具体描述本发明导航模式之前，先对描述中出现的变量定义如下(如表1所示)表1变量的定义

导航模式A为了进行第一种工作模式，本发明采用示踪器3作为世界坐标系(如图1所示)，其是设置在磁共振成像设备1上的，因此其与磁共振成像设备1的相对位置保持不变，在手术器械4上固定手术器械示踪器5作为手术器械坐标系。通过标定模9标定，可以得到磁共振成像设备坐标系和世界坐标系之间的坐标变换关系，使病灶(磁共振成像设备1提供其图像和位姿信息)能变换到世界坐标系中(此标定工作只需在安装设备时做一次，只要示踪器3和磁共振成像设备1之间没有相对移动，以后的手术都可以直接采用其标定结果)。同时通过标定模9标定得到手术器械4在手术器械坐标系里的位姿(每次手术都要进行标定，因为一般在手术前才将手术器械示踪器5固定，且很可能在手术过程中进行手术器械4与手术器械示踪器5的分离、固定)。在手术过程中，跟踪系统2测量世界坐标系的位姿，得到跟踪系统2自己的坐标系和世界坐标系的转换关系；同时，跟踪系统2测量手术器械坐标系的位姿，得到手术器械坐标系和世界坐标系之间的转换关系，从而将手术器械4也变换到世界坐标系观测。除了统一将病灶和手术器械4变换到世界坐标系观测，也可以将它们变换到其它坐标系观测，例如磁共振成像设备坐标系或者跟踪系统坐标系等。
导航模式A坐标变换关系具体的推导过程如下在世界坐标系里观测病灶和手术器械4，磁共振成像设备1扫描病灶，得到其图像数据，其中包括病灶的任意一点在磁共振成像设备坐标系里的坐标Vlesionscan。根据事先标定好的磁共振成像设备坐标系和世界坐标系之间的变换关系Cscanworld可以将病灶的任意一点坐标从磁共振成像设备坐标系变换到世界坐标系中，得到此点在世界坐标系里的坐标Vlesionworld=CscanworldVlesionscan---(1)]]>跟踪系统2测量手术器械示踪器5的位姿信息Ctooltrack，同时也测量世界坐标系的位姿Cworldtrack，从而得到手术器械坐标系和世界坐标系之间的变换关系Ctoolwrold=CtrackworldCtooltrack=(Cworldtrack)-1Ctooltrack---(2)]]>手术器械4上任意一点T在手术器械坐标系里的坐标VTtool是已知的，将其变换到世界坐标系里VTworld=CtoolworldVTtool=(Cworldtrack)-1CtooltrackVTtool---(3)]]>至此，病灶和手术器械4已经被放到同一个坐标系(世界坐标系)中观测，它们可以被显示在屏幕上。医生在屏幕上看到的病灶和手术器械4的相对位置，就是实际的病灶和手术器械4的相对位置。
除了世界坐标系，病灶和手术器械4也可以被变换到其它的坐标系中观测，例如磁共振成像设备坐标系或者跟踪系统坐标系。
使用磁共振成像设备坐标系观测，由于病灶已经处于磁共振成像设备坐标系，其任意一点的坐标为Vlesionscan，不需要进行变换，而只需变换手术器械4到磁共振成像设备坐标系VTscan=CworldscanVTworld=Cworldscan(Cworldtrack)-1CtooltrackVTtool---(4)]]>使用跟踪系统坐标系观测，病灶的任意一点和手术器械4的任意一点在跟踪系统坐标系中的坐标分别为Vlesiontrack=CscantrackVlesionscan=CworldtrackCscanworldVlesionscan---(5)]]>VTtrack=CtooltrackVTtool---(6)]]>导航模式B为了进行第二种工作模式，可以在导航模式A的标定方法和跟踪方法的基础上扩展。同样地，使用示踪器3作为世界坐标系，它和磁共振成像设备1的相对位置保持不变，在手术器械4上固定手术器械示踪器5。此外，为了适应病床6(患者)的移动，还要在病床6上相对与患者病灶固定的病床示踪器7(或在病床上的患者身上设置人体坐标示踪器)。在手术过程中，病灶在磁共振成像设备1里成像后，随着病床6移动到进行手术的位置，利用磁共振成像设备坐标系和世界坐标系之间的坐标变换关系以及病床6的位姿信息，可以将病灶变换到世界坐标系中观测。手术器械4的跟踪方法和导航模式A中的方法一样。除了统一将病灶和手术器械4变换到世界坐标系观测，也可以将它们变换到其它坐标系，例如磁共振成像设备坐标系，跟踪系统坐标系或者病床坐标系等。
导航模式B坐标变换关系具体的推导过程如下在世界坐标系里观测病灶和手术器械4，患者被推入磁共振成像设备1成像时，病灶的任意一点在世界坐标系里的坐标即公式(1)描述的Vlesion,0world=CscanworldVlesion,0scan---(1)]]>其中下标0表示病床6被推入磁共振成像设备1，此时病床坐标系位姿CPT，0track被跟踪系统2探测，它在世界坐标系里的位姿为CPT,0world=CtrackworldCPT,0track=(Cworldtrack)-1CPT,0track---(7)]]>由式(1)和(7)可知此时病灶的任意一点在病床坐标系中的坐标为Vlesion,0PT,0=CworldPT,0Vlesion,0world=(CPT,0track)-1CworldtrackCscanworldVlesion,0scan---(8)]]>成像完毕后，病灶(患者)随着病床6运动到手术位置(用下标1表示)。由于病人和病床6无相对移动，病灶在病床6上的坐标保持不变Vlesion,1PT,1=Vlesion,0PT,0---(9)]]>此时病床6的位姿CPT，1track被跟踪系统2探测，它在世界坐标系里的位姿为CPT,1world=CtrackworldCPT,1track=(Cworldtrack)-1CPT,1track---(10)]]>由式(8)～(10)可得出此时病灶在世界坐标系里的坐标为Vlesion,1world=CPT,1worldVlesion,1PT,1=(Cworldtrack)-1CPT,1track(CPT,0track)-1CworldtrackCscanworldVlesion,0scan---(11)]]>手术器械4的任意一点在世界坐标系里的坐标和式(3)描述的一样
VTworld=CtoolworldVTtool=(Cworldtrack)-1CtooltrackVTtool---(3)]]>至此，病灶和手术器械已经被放到同一个坐标系(世界坐标系)中观测。
除了世界坐标系，病灶和手术器械也可以被变换到其它的坐标系中观测，例如磁共振成像设备坐标系，跟踪系统坐标系或者病床坐标系。
使用磁共振成像设备坐标系观测，病灶的任意一点和手术器械4的任意一点在磁共振成像设备坐标系中的坐标分别为Vlesion,1scan=CworldscanVlesion,1world=Cworldscan(Cworldtrack)-1CPT,1track(CPT,0track)-1CworldtrackCscanworldVlesion,0scan---(12)]]>=(Cscanworld)-1(Cworldtrack)-1CPT,1track(CPT,0track)-1CworldtrackCscanworldVlesion,0scan]]>VTscan=CworldscanVTworld=Cworldscan(Cworldtrack)-1CtooltrackVPtool---(4)]]>使用跟踪系统坐标系观测，病灶的任意一点和手术器械4的任意一点在跟踪系统坐标系中的坐标分别为Vlesion,1track=CPT,1trackVlesion,1PT,1=CPT,1track(CPT,0track)-1CworldtrackCscanworldVlesion,0scan---(13)]]>VTtrack=CtooltrackVTtool---(6)]]>使用病床坐标系观测，病灶的任意一点和手术器械4的任意一点在病床坐标系中的坐标分别为Vlesion,1PT,1=(CPT,0track)-1CworldtrackCscanworldVlesion,0scan---(7)]]>VTPT,1=CtrackPT,1VTtrack=(CPT,1track)-1CtooltrackVTtool---(14)]]>导航模式C为了进行第二种工作模式，可以采用与导航模式B不同的标定方法和跟踪方法。其是在患者体表固定能在磁共振成像设备1中成像的导航标志18(数量不少于3个)，并在磁共振成像设备1中成像，手术过程中，导航标志18和病灶之间无相对移动。在病床6(患者)被拉出到达手术区域后，在病灶图像上提取导航标志18在磁共振成像设备坐标系里的坐标，并用跟踪系统2测量患者体表的导航标志18在跟踪系统坐标系里的坐标，将这两组数据注册，从而在某坐标系(例如跟踪系统坐标系)中将病灶图像和真正的病灶的位置重合在一起，由于此时手术器械4也被变换到此坐标系(例如跟踪系统坐标系)，因此可以实现病灶和手术器械4的一起观测，然后就能开始手术。
导航模式C坐标变换关系具体的推导过程如下在病床6到位后，在病灶图像上将nnav个导航标志18(nnav≥3，一般nnav等于4)，提取出来，得到导航标志18在磁共振成像设备坐标系里的三维坐标Miimg(i＝1，2，...，nnav)；使用跟踪系统2测量导航标志点18，得到它们在跟踪系统坐标系里的坐标Mitrack。病灶和手术器械坐标之间的变换关系为CimgtrackMiimg=Mitrack---(15)]]>
其中Cimgtrack为磁共振成像设备坐标系在跟踪系统坐标系里的位姿。通过式(15)可得到nnav个方程，并解出Cimgtrack。从而病灶的任意一点在磁共振成像设备坐标系里的坐标Vlesionimg可变换到跟踪系统坐标系Vlesiontrack=CimgtrackVlesionimg---(16)]]>手术器械4上的任意一点T在手术器械坐标系里的坐标VTtool是已知的，将其变换到跟踪系统坐标系里VTtrack=CtooltrackVTtool---(6)]]>至此，病灶和手术器械4已经被放到同一个坐标系(跟踪系统坐标系)中观测，它们可以被显示在屏幕上，医生在屏幕上看到的病灶和手术器械4的相对位置，就是实际的病灶和手术器械4的相对位置。
为了使医生不需要再次使用跟踪系统2测量导航标志18，可增加一个示踪器作为世界坐标系，其位姿Cworldtrack被跟踪系统2测量。此世界坐标系和导航模式A、B的世界坐标系不同，它不是固定于磁共振成像设备1上，而是和病灶的相对位置保持不变，例如病灶为头部时，可通过机械装置将示踪器和头部固定。
用下标0表示初始的标定位置，1表示跟踪系统2的位置传感器移动到新位置。将病灶的任意一点由跟踪系统坐标系变换到世界坐标系Vlesionworld=Ctrack,1worldVlesiontrack,1=Ctrack,1worldCtrack,0track,1Vlesiontrack,0=(Cworldtrack,1)-1Cworldtrack,1(Cworldtrack,0)-1Cimgtrack,0Vlesionimg---(17)]]>将手术器械4的任意一点变换到世界坐标系VTworld=CtoolworldVTtool=(Cworldtrack,1)-1Ctooltrack,1VTtool---(18)]]>这样我们就把病灶和手术器械4都放到世界坐标系里观测，当位置传感器移动后，世界坐标系在位置传感器的位姿Cworldtrack更新，通过式(17)和(18)的变换保证病灶和手术器械的定位准确。
也可以在跟踪系统中观察病灶和手术器械Vlesiontrack,1=Ctrack,0track,1Vlesiontrack,0=Cworldtrack,1(Cworldtrack,0)-1Cimgtrack,0Vlesionimg---(19)]]>VTtrack,1=Ctooltrack,1VTtool---(20)]]>上述磁共振成像设备坐标系的标定中，磁共振成像设备1扫描一个物体得到图像，所用的空间坐标系为磁共振成像设备坐标系，为了将图像从磁共振成像设备坐标系变换到其它的坐标系(如世界坐标系)，就需要进行标定工作，得到成像坐标系和某坐标系R(如世界坐标系或跟踪系统坐标系等)之间的变换关系CscanR，有了这个关系，病灶就可以变换到该坐标系中观测。如果知道其它的坐标系(例如跟踪系统坐标系)和世界坐标系的关系，还可以将病灶变换到其它的坐标系中。
本发明采用标定模9和跟踪系统2来标定磁共振成像设备坐标系与世界坐标系之间的变换关系Cscanworld。
根据上述标定模9结构的描述可知，磁共振成像设备扫描标定模9，得到特征点集I的每一特征点93在磁共振成像设备坐标系里的坐标Viscan(i＝1，2，...，nph)；跟踪系统2测量标定模9，得到特征点集II的每一特征点94的坐标，也就得到了特征点集II的每一点在跟踪系统坐标系里的坐标Vitrack(i＝1，2，...，nph)。这两组坐标满足方程CscantrackViscan=Vitrack,(i=1,2,...,nph)---(21)]]>由这些方程解可解出磁共振成像设备坐标系与跟踪坐标系之间的变换关系Cscantrack，进而得到磁共振成像设备坐标系和世界坐标系之间的变换关系Cscanworld=CtrackworldCscantrack=(Cworldtrack)-1Cscantrack---(22)]]>其中Cworldtrack由跟踪系统2测量世界坐标系得到。
为了提高导航模式A和导航模式B中的标定精度，本发明在用标定模9进行标定时，采用了旋转量和平移量分开标定的方法Cscantrack包括旋转矩阵(3×3矩阵)和平移向量(3×1矩阵)，即Cscantrack=RscantrackTscantrack01---(23)]]>将点坐标V＝(X 1)T＝(x y z 1)T和式(23)代入(21)得到RscantrackXiscan+Tscantrack=Xitrack---(24)]]>一般的标定办法是利用磁共振成像设备1测量特征点集I各点在磁共振成像设备坐标系里的坐标Xiscan(i＝1，2，...，nph)，利用跟踪系统2测量特征点集II各点在跟踪系统坐标系里的坐标，由于特征点集I和II的相对位置关系是已知的，从而得到特征点集I各点在跟踪系统坐标系里的坐标Xitrack(i＝1，2，...，nph)，通过方程式(24)同时解出旋转矩阵Rscantrack和平移向量Tscantrack。
这样做可以在特征点集I、II附近的区域得到好的局部标定结果，但是由于视场比较大，而标定模的特征点93只是视场里点的一小部分，因此在磁共振成像设备1的整个视场内标定的精度受旋转矩阵Rscantrack的误差影响大，使得只有特征点93附近区域定位准确，而远离特征点93的区域误差大。将旋转矩阵和平移矩阵分开标定，可以保证旋转矩阵有最佳的标定结果，这样做虽然牺牲了特征点93、94附近的最小标定误差，但是在整个视场内可以得到好的标定结果。分开标定的具体的过程如下首先，利用磁共振成像设备1测量特征点集I各特征点93在磁共振成像设备坐标系里的坐标Xiscan(i＝1，2，...，nph)，由坐标Xiscan生成L个向量Discan。原则是使向量尽量分布在视场的各个方向(最理想的是从视场中心向各个方向发出的向量集)。然后，利用跟踪系统2测量特征点集II各点在跟踪系统坐标系里的坐标，从而得到特征点集I各点在跟踪系统坐标系里的坐标Xitrack(i＝1，2，...，nph)，在跟踪系统坐标系生成和向量Discan一一对应的向量Ditrack(一一对应的意思是如果向量Discan由特征点Viscan和特征点Vkscan生成，那么向量Ditrack也由同样的特征点Vitrack和特征点Vktrack生成)。
这两组向量满足变换关系RscantrackDiscan=Ditrack,(i=1,2,...,nph)---(25)]]>由方程组(25)可解出旋转矩阵Rscantrack，然后将它代入方程组(24)可解出Tscantrack，得到变换关系Cscantrack，进而得到磁共振成像设备坐标系和跟踪坐标系之间的变换关系Cscantrack。
在实施上述三种导航模式A、B、C过程中，为了增加跟踪系统2的视场，可使用多个示踪器3共同组成世界坐标系，这些示踪器3分布在不同的位置(各示踪器3之间的坐标变换关系是已经测定好的)，导航时选择位置传感器探测效果最好的示踪器3作为世界坐标系。从而允许跟踪系统2的位置传感器能够移动到多个位置对手术器械4进行位置跟踪，扩大了位置传感器的工作区域。此时病灶和手术器械仍然可以用前面的公式来计算。
本发明对硬件部分的改进还包括以下内容1、本发明除了通过坐标系的变换将磁共振图像和手术器械放置在同一坐标系中观察并进行手术以外，还为手术器械4设置了一个手术器械导引仪40，使用手术器械导引仪40一方面可以排除操作者手部抖动带来的影响，另一方面减小穿刺过程中手术器械4弯曲的现象，从而可以保证将介入手术器械精确地摆放到位。
如图10所示，本发明手术器械导引仪40包括下支架组件410，上横梁组件430，调角器组件450和介入导引组件470。
如图11～13所示，本发明的下支架组件410包括一具有一定重量的底座411，底座411的底部设置有四个滚轮412，用以支撑和方便推拉移动整个设备。在底座411顶部固定连接一立管413，在立管413的外面设置一与底座411固定连接的外罩414。在立管413的中部和外罩414最上部分别设置有一导向套415、416，在两导向套415、416内插设一上支管417。上支管417的一侧设置有齿条418。在立管413上部的外罩414内设置一与齿条418啮合的齿轮419，与齿轮419同轴设置一链轮420，在立管413的下部设置另一链轮421，在两链轮420、421上环绕一链条422，在外侧链条422上固定连接一配重423，内侧链条422穿过配重423的另一侧。配重423的设置原则是上支管417及以上部件的重量与配重423形成动态平衡，这样，如果有外力向上提升上支管417或向下压上支管417时，上支管417上的齿条418就可以带动齿轮419，链轮420、421和链条422转动，使配重423向上、下移动，达到另一位置的动态平衡；此时由于操作者使用的力仅为克服齿轮419和齿条418之间的摩擦力，因此操作者无论是提升或是下压上支管417都会非常轻快省力。为防止在无意中碰触上支管417而引起移动，在外罩414上设置一穿过外罩414的手柄424，在上支管417与下支架组件410调整后，以方便锁紧定位。
如图14、图15所示，本发明的上横梁组件430包括一转接柱431，一设置在转接柱431中间的楔套432，一设置在楔套432外面的T形接头433，楔套432和T形接头433通过多个螺钉固定连接成一体。两个楔块434、435分别从转接柱431的两侧穿入楔套432，并将两个挡板436、437分别从两端通过多个螺钉固定在转接柱431上。一限位螺母438螺接在挡板437的中心螺孔内，限位螺母438的端部顶在楔块435上，将一具有旋转手柄439的螺杆440连接在两楔块434、435的中心螺孔内，且两楔块434、435的中心螺孔一个左旋，一个右旋，因此与二者对应的螺杆440转动时，两楔块434、435可以相对运动，进而锁紧或松开楔套432和固定在楔套432上的T形接头433。转接柱431底部通过一个常用的锁紧螺母441和一尼龙套442与上支管417顶部固定连接。
如图14、图16所示，在T形套433内穿设一横梁443，T形套442的两端也采用常用的锁紧螺母和尼龙套与横梁443固定连接。上横梁430与调角器450连接的一端设置有一弯头444，在弯头444内通过键与键槽445的配合连接一过渡轴446，一调整套447通过螺纹连接在过渡轴446上，在过渡轴446的外面通过一组三瓣套448，同时连接弯头444和调整套447的一端，横梁443端部内固定连接一螺套449，螺套449与横梁443插设在调整套447内，转动横梁443可以将螺套449固定在过渡轴446上。
如图17～20所示，本发明的调角器组件450包括一壳体451，在壳体451一端设置一连接轴452，相对连接轴452的轴心，在壳体451内设置一连接成一体的上、下球座453、454，在上、下球座453、454内设置一球轴455的球头，在壳体451的顶部和侧部分别设置一通过微调螺母456、457带动的压下螺杆458和侧推螺杆459，压下螺杆458和侧推螺杆459的底部分别设置一连接球轴455的摆套460、46 1。在球轴455的端部连接一过渡轴462，在过渡轴462上连接一手轮463和由手轮463带动转动的一过渡板464，过渡板464通过一旋转手柄连接介入导引组件470。调角器450是用于调节介入导引组件470的偏转角度和进针方向的，调节微调螺母456、457可以分别使球轴455以球头为轴上、下、左、右摆动，调节手轮463可以使介入导引组件470沿球轴455轴向移动。
如图17、图21所示，本发明的介入导引组件470包括两铰接在一起的外针卡471、472，在所述两外针卡471、472内设置两内针卡473、474，在两内针卡473、474内穿设穿刺针475。其中一侧的外针卡471和内针卡473与与过渡板464固定连接成一体，另一侧的外针卡72可以相对外针卡71打开，以放入另一内针卡474和穿刺针475，合上外针卡472以后，可以通过一螺钉476将两外针卡471、472固定在一起，二者固定的松紧取决于穿刺针475，使其可以在外力的作用下，在内针卡471、472内滑动。
本发明手术器械导引仪40使用时，可以推动底座411移动任何位置，通过旋转手柄424可以将上支管417上、下移动，通过旋转手柄439可以转动移动横梁443，通过转动微调螺母456、457和手轮463可以调节穿刺针的方向，以对准患者的病灶部位；一旦完成操作，医生便可以方便地将穿刺针准确地导入预定的病灶部位。
2、为了避免了超高、超宽物体与磁共振成像设备发生碰撞，保护患者和磁共振成像设备1的安全，本发明在磁共振成像设备1上设置一套激光保护装置50。如图22、图23所示，本发明在磁共振成像设备1成像空间的顶部和两侧分别设置了一个市场上购买的线性激光器51、52、53，以及连接各激光器51、52、53的警报装置(图中未示)，各激光器51、52、53的信息同时还输入磁共振成像设备1的控制装置。这样每一个线性激光器51、52、53发出的激光是一个呈扇形的平面，三束激光器51、52、53发出的激光恰可覆盖顶面和两侧面，与病床9所在位置形成一矩形延伸的空间，即磁共振成像设备1可以允许进入的空间。一旦患者身体的任何部位超出或者患者身上的手术器械超出或插设的其它管路等超出三个激光器51、52、53所构成的工作空间，警报装置便会发出警报提醒手术医生，同时磁共振成像设备1的运动控制系统收到激光光束被阻挡的信息后，软件便会自动停止下一个操作步骤，病床9也会被停止继续前进，从而有效的避免了超高、超宽物体与磁共振成像设备的碰撞，保护了患者和磁共振成像设备。
3、本发明采用多个手术悬臂，分别用于固定跟踪系统2和显示屏幕15等，这些悬臂能够保持顺滑的大范围移动，保证三维方位跟踪系统2能够在各种位姿下检测到手术器械4；同时保证医生在介入手术操作中能在最佳角度和最佳距离观察到显示屏幕上的手术导航界面。
如图24所示，本发明的软件部分包括主控制模块，其含有三个处理模块过程控制模块，系统设置和日志模块，以及数据库管理模块(包括医学影像存档与通信)；手术规划导航模块中包含两个支持模块图像/数据分析模块和系统导航标定模块；图形用户界面控制模块和交互控制模块。软件部分为需要控制的三类外部设备定义了通用的多种型号的应用程序接口并与相应设备连接；即通用跟踪系统控制应用程序接口，通用成像设备应用程序接口，通用治疗系统控制应用程序接口。其中主控制模块是该软件的核心部分，它协调软件中所有的模块调用和相互信息传递。过程控制模块管理所有与应用相关的过程，例如，系统标定，手术计划，实时导航等；系统设置和日志模块负责设置系统配置以及和系统相关的数据库信息(例如设备数据库)，同时此模块也维护系统日志；数据库管理模块管理所有的数据，包括图像、设备(治疗)模型、成像设备、过程协议、系统日志和系统配置，对于图像的管理，数据库管理模块以医学影像存档与通讯系统(PACS)的方式工作。图像/数据分析模块提供图像处理和数据分析功能，系统导航标定模块提供设备位置跟踪功能和不同设备坐标系关系。图形用户界面控制模块和交互控制模块为用户显示所有的控制和图像信息，并且具备用户操作功能。
本发明在软件中针对现有技术中磁共振成像设备1所成图像由于梯度场的非线性引起图像的几何变形的问题，提出一种根据磁感应强度的球谐函数计算三维空间内的图像上每一个象素点的三维偏移量，并将该偏移量补偿到该象素点的图像坐标中的基于球谐函数的磁共振图像梯度变形校正程序，该校正程序作为软件被预置在本发明软件部分的图像/数据分析模块中。如图24、图25所示，本发明梯度校正程序包括计算空间偏移量、图像偏移量补偿校正和搜索校正参数三部份，下面分别描述如下A、计算空间偏移量的步骤如下磁共振系统的磁场强度Bz(r，θ，φ)在球坐标系内可以使用下述公式(1)表示Br(n，m)(r，θ，φ)＝rn[av(n，m)cos(mφ)+bv(n，m)sin(mφ)]×P(n，m)(cosθ)(1)其中Br(n，m)(r，θ，φ)是Bz的球谐函数展开后第n阶m级项。av(n，m)、bv(n，m)是常数，av(n，m)、bv(n，m)是v方向n阶m级展开项的系数，是磁场非线性梯度的固有特性，r为所求点到球心的距离。P(n，m)(cosθ)为勒让德多项式，有限项Br(n，m)(r，θ，φ)之和就可以近似给出磁场强度Bz(r，θ，φ)。
在建立了Bz(r，θ，φ)的表达式之后，就可以得到磁场的梯度函数Gv(r)≡∂Bzv(r)∂v≡∂Bzv(r)L∂v+∂Bzv(r)N∂v≡GvL+Gv(r)N---(2)]]>其中v表示笛卡儿坐标系内的(x，y或z)方向，Bzv(r)是梯度场的总强度，Bzv(r)L是梯度场线性部分，即球谐函数展开的一阶项，Bzv(r)N是可以由球谐函数展开的高阶项计算的非线性部分，所以
定义 其中 公式(4)描述了笛卡儿坐标系内v(x，y或z)方向上梯度的非线性程度，可以用于计算笛卡儿空间内点V(x，y，z)的坐标偏移量，可以根据磁共振设备1的成像空间选择合适大小的计算区间，并在该区间内均匀分布控制点Vci(x，y，z)，根据公式(4)计算每一个控制点的偏移量，并保存在控制点偏移量文件中。
B、偏移量补偿校正的步骤如下对待校正图像进行校正由图像偏移量补偿校正实现，是在图像坐标系中通过改变每一个象素的图像坐标完成的，所以针对每一个象素的图像校正的过程，即首先将象素p(u，v)的图像坐标(u，v)换算为成像空间内坐标(x，y，z)。再根据控制点偏移量文件中所保存的与该象素相邻的8个控制点Vc(1-8)的偏移量ηc(1-8)使用插值算法计算该象素的空间偏移量ηp。再次将该象素的空间偏移量换算为图像坐标系内的偏移量σp；最后将偏移量补偿到该象素的图像坐标。具体公式描述如下假设在磁共振成像空间内待校正图像的行对应的向量为vr，列对应的向量为vc。第一个象素点为P0(u0，v0)，其磁共振空间坐标为V0，图像的分辨率为Res，图像的视野为Fov。则任意象素pi(u，v)的磁共振空间坐标为Vi。
Vi(xi,yi,zi)=V0+((u-u0)*vr+(v-v0)*vc)*FovRes---(5)]]>假设与该象素相邻的8个控制点的偏移量分别为η(x0，y0，z0)，η(x0，y0，z0+1)，η(x0，y0+1，z0)，η(x0+1，y0，z0)，η(x0，y0+1，z0+1)，η(x0+1，y0+1，z0)，η(x0+1，y0，z0+1)，η(x0+1，y0+1，z0+1)。
则Vi(xi，yi，zi)的偏移量可以表示为ηi(xi,yi,zi)=η(x0,y0,z0)*(x0+1-xi)*(y0+1-yi)*(z0+1-zi)]]>+η(x0+1,y0,z0)*(xi-x0)*(y0+1-yi)*(z0+1-zi)]]>+η(x0,y0+1,z0)*(x0+1-xi)*(yi-y0)*(z0+1-zi)]]>+η(x0,y0,z0+1)*(x0+1-xi)*(y0+1-yi)*(zi-z0)]]>+η(x0+1,y0,z0+1)*(xi-x0)*(y0+1-yi)*(zi-z0)]]>+η(x0,y0+1,z0+1)*(x0+1-xi)*(yi-y0)*(zi-z0)]]>+η(x0+1,y0+1,z0)*(xi-x0)*(yi-y0)*(z0+1-zi)]]>+η(x0+1,y0+1,z0+1)*(xi-x0)*(yi-y0)*(zi-z0)---(6)]]>将该象素的空间偏移量ηi(xi，yi，zi)换算为图像坐标系内的偏移量σp(u，v)。
σp(u，v)＝(Δu，Δv)Δu=ηi(xi,yi,zi)·vr*ResFov]]>Δv=ηi(xi,yi,zi)·vc*ResFov---(7)]]>将偏移量补偿到该象素的图像坐标，该象素新的图像坐标(u′，v′)。
u′＝u+Δu；v′＝v+Δv；(8)对待校正图像内的每一个象素进行以上操作，就可以完成整幅图像的校正。
C、搜索校正参数的步骤如下搜索校正参数模块通过多次分析梯度校正模60的磁共振图像获得校正参数，下面介绍梯度校正模60的设计方法和搜索校正参数的步骤，出于精度和计算量的考虑梯度场的计算均以5阶展开。
(1)梯度校正模如图26、图27所示，梯度校正模60是用于梯度校正的工具，它既用于搜索系统参数，也用于测量校正后的误差。梯度校正模60为一个方形的盒体61，在盒体61内设置按照不等间距方阵的方式排列成方阵的圆柱62，圆柱62内充满硫酸铜溶液，可以在磁共振成像设备中成像。梯度校正模中的圆柱62是按照公式(2)表达的梯度分布规律进行排列的，圆柱62作为标定模内的标志点，可以更精确地计算出梯度分布的参数值。
如图28所示，显示了圆柱62在X轴上的磁场梯度在±30cm内的变化规律，由于磁场梯度的非线性，以X方向标志点为例，如果标志点为等间距的，则随着X坐标越大，相邻标志点间的图像X坐标差值先变大，之后急剧变小(如图29所示)。所以为了保证标志点的图像坐标计算精度，本发明按照磁场梯度变化的规律采用不等间距的标志点分布和尺寸不同的标志点。下面以X方向为例给出标志点间距和尺寸的计算方法根据公式(3)以及ax(n，m)、bx(n，m)的估计值ax(3，1)＝10-4，ax(5，1)＝10-7，可以写出v(x，y＝0，z＝0)处的梯度场磁感应强度Bz的5阶展开BzX(v)=x-32*10-4*x3+316*10-6*x5]]>v(x，y＝0，z＝0)处的梯度为GX(v)=1-92*10-4*x2+332*10-5*x4]]>假设磁场中心的标志点间距为l0，标志点的直径为d0。那么的v(x，y＝0，z＝0)点处的标志点间距为l=l0G;]]>v(x，y＝0，z＝0)点处的标志点直径为d=d0GX(v)]]>同样可以根据公式(3)以及az(n，m)、bz(n，m)的估计值得出梯度场磁感应梯度在z轴方向上的表达式Gz。进而根据Gz计算标志点在平面标定模另一个方向的点距以及标志点尺寸。一般来讲磁共振的梯度场x，y方向的设计参数基本相同，所以x、y方向仅计算一个即可，一个典型的梯度校正模可以使用x，z方向的分布数据制作。按照标志点的间距和直径计算公式重新设计本发明的梯度校正模60(如图30所示)。
(2)搜索校正参数的步骤如下校正参数搜索模块需要分三次分别搜索X、Y和Z方向的校正参数，下面仅以X方向校正参数搜索为例介绍实施步骤(如图31所示)a)梯度场线性标定假设在5cm的视野内，梯度磁场强度为线性函数，通过扫描已知尺寸的标定模，求出物理尺寸与图像坐标的比例因子；b)设置初始的系统参数Cf设定X方向ax(5，1)、ax(3，1)初始参数Cxfc)计算空间位置偏移量ηx将设定的初始参数Cxf带入公式 中，计算出空间位置偏移量ηx，并存入偏移量查找表。
d)将梯度校正标定模放置在磁场的中心附近，并保证标定模圆柱的行的方向与X方向一致，列方向与Y或Z方向一致。
e)设置磁共振仪器的扫描参数，包括视野、扫描方向，图像中心的位置，设置扫描的层(slice)在x，y平面内，图像中心位于磁场中心，视野为希望被校正的范围，并可得到梯度校正标定模磁共振原始图像Mo。
f)使用图像偏移量补偿校正模块对原始图像校正，得到校正后的标定模图像Mc。
g)取包含X轴上的标志点p1，2，3…的图像(如图32所示)进行处理，采用重心法计算每一个标志点的图像坐标Mi。
h)根据步骤a)求出的比例因子计算标志点p1，2，3…对应的世界坐标Xi。
i)计算标志点p1，2，3…的位置误差平方和S。
j)判断S是否满足要求或迭代次数n是否超过设定值，如果“是”则退出迭代，以当前系统参数值为程序输出；如果“否”则改变初值继续进行搜索。
采用上述提到校正方法，在梯度线圈视野为5cm内，梯度能够保证线性度误差在4‰左右。
本发明在手术过程中，一般包括以下步骤病人准备、手术规划、手术导航、治疗过程监控和治疗效果评估，下面分别加以说明患者选择首先要选择适合进行磁共振导航介入手术治疗的患者，选择标准包括该患者能进行磁共振扫描(体内无心脏起搏器等磁共振不兼容的装置)，患者的体型能适应磁共振扫描线圈的尺寸；患者的病灶部位在介入手术中能被磁共振观察到；患者的病灶部位能被介入手术器械触及。
手术规划如图33所示，首先需要将患者的医学图像导入系统，这些医学图像可以是由本发明磁共振成像设备1扫描获得的，也可以来自其它的磁共振系统获得的，或来自其它类型的医学成像仪器(比如CT、超声等)获得的。根据导入的患者医学图像，要作病灶的定位和关键组织的图像定位和分割。结合以上信息共同进行手术规划，一方面保证最佳的介入治疗效果，另一方面尽量减少对正常组织，尤其是生命关键组织的伤害。还需要导入介入手术中要用到的手术器械4的信息，包括几何形状和治疗效果等。
接下来，在手术规划导航系统控制台13上用鼠标等人机交互手段正确摆放介入手术器械4的位置，以保证手术器械4与医学图像上显示的病灶的位置之间的关系较为恰当；同时在手术器械4从体表到达病灶点的路径上不会经过或者损害到重要组织(比如大血管，重要脏器等)。手术器械4模拟到位后，就可以进行治疗效果的模拟，如果结果不佳，可以选择增加手术器械4(比如介入冷冻治疗中增加冷冻针的个数)或者换用不同参数和治疗效果的手术器械4，直到达到满意的模拟治疗效果。
手术导航如图34所示，经过必要的患者和设备的手术准备后，进入手术导航阶段，按照手术规划中确定的路线和目标地点逐个将手术器械插入病人的身体。在插入过程中，保持高精度的器械空间定位，并且合并显示在患者的磁共振图像上，该图像同时被输出到屏蔽室内的显示屏幕15上供医生进行手术器械4导航。
治疗过程监控手术器械4到位后就可以进行介入治疗，在整个介入治疗过程中，磁共振成像设备1保持循环进行快速的图像扫描，并且在每次扫描结束后将图像立即传输到手术规划导航系统控制台13上，监控手术治疗过程(比如冷冻治疗中监控冷冻区域的长大及覆盖肿瘤的过程)。
治疗效果评估介入治疗结束后，需要通过磁共振图像或者其它手段现场评估治疗结果，根据对介入治疗结果的评估，现场决定是否需要立即补充介入手术以达到理想的治疗效果，如果需要的话，回到开始手术步骤，再顺序执行。
收尾确认该次介入手术结束后，输出介入手术报告，并完成术后清理工作包括患者撤离、介入治疗设备检查、手术现场清理等，整个手术流程结束。
权利要求
1.一种磁共振图像引导下的手术系统，硬件部分包括磁共振成像设备，跟踪系统，手术器械，设置在所述磁共振成像设备上的病床，控制和显示设备，以及与各系统相连接的计算机及控制软件部分；其特征在于还设置有标定针和标定模，所述磁共振成像设备坐标系的位姿可被跟踪系统测量；与所述磁共振成像设备位置对应设置有至少一套构成世界坐标系的示踪器，所述世界坐标系的位姿可以被所述跟踪系统测量；所述手术器械上设置有作为手术器械坐标系的手术器械示踪器，所述手术器械坐标系的位姿可被跟踪系统测量；所述病床上设置有构成病床坐标系的病床示踪器，所述病床坐标系可被所述跟踪系统测量；所述标定针由一根具有一定长度的针和示踪器共同构成，其经过标定后的针尖接触某点，即可测量此点的位置；所述标定模内部和表面分别设置了一组不对称分布的特征点集I和特征点集II，所述特征点集I的特征点可被所述磁共振成像设备成像，所述特征点集II的特征点可被所述跟踪系统测量；特征点集I和特征点集II的相对位置关系已知；经标定后，可通过各坐标系之间的相互变换关系，将所述病灶坐标和手术器械坐标变换到同一个坐标系中。
2.如权利要求1所述的一种磁共振图像引导下的手术系统，其特征在于在所述病床上患者的皮肤表面设置有与病灶位置对应的导航标志，所述导航标志可被所述磁共振成像设备成像，且可被所述跟踪系统测量。
3.如权利要求1或2所述的一种磁共振图像引导下的手术系统，其特征在于所述标定模包括一标定模本体，所述标定模本体除底面外的其它五个面，每个面都具有一定厚度的特征层，各所述特征层内部设置有组成一特征点集I的一组球体，各所述特征层表面设置有组成特征点集II的另一组凹坑，所述标定模本体由六个面包起来的空间内充满标定模溶液。
4.如权利要求1或2或3所述的一种磁共振图像引导下的手术系统，其特征在于它还包括一手术器械导引仪，所述手术器械导引仪包括下支架组件，上横梁组件，调角器组件和介入导引组件；所述下支架组件包括底座，设置在所述底座上的立管，套设并锁紧在所述立管内的上支管；所述上横梁组件包括套设并锁紧在所述上支管外的T形接头，穿设在所述T形接头内的横梁和设置在所述横梁一端的连接头；所述调角器组件包括连接所述连接头的一壳体，设置在所述壳体内的一球轴，垂向和侧向分别连接所述球轴的压下螺杆和侧推螺杆，设置在所述壳体顶部和侧部分别连接所述侧推螺杆和压下螺杆的微调螺母；设置在所述球轴的伸出端的手轮和过渡板；所述介入导引组件包括连接所述过渡板的外夹托，锁紧设置在所述外夹托内的内夹托，所述手术器械锁紧设置在所述内夹托内。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种磁共振图像引导下的手术系统，其特征在于在所述磁共振成像设备的成像空间顶部和两侧设置有三个线性激光器和一个警报器，每一所述激光器发出一扇形平面激光束，三束激光束与设置在所述磁共振成像设备病床，共同构成一与所述磁共振成像设备检查治疗空间相适应的宽度和高度限制空间，所述警报器与控制系统连接，且在所述任一激光束被阻断时报警。
6.如权利要求1或2或3或4或5所述的一种磁共振图像引导下的手术系统，其特征在于在软件部分预置有对磁共振图像梯度变形校正的程序，它包括计算空间偏移量，图像偏移量补偿校正和搜索校正参数三个步骤，其是根据磁感应强度的球谐函数，计算三维空间内的图像上每一个象素点的三维偏移量，并将该偏移量补偿到该象素点的图像坐标中。
7.一种采用权利1～6所述的磁共振图像引导下的手术系统的手术导航方法，其包括以下步骤(1)在由磁共振成像设备、跟踪系统、手术器械和病床组成的系统中，磁共振成像设备自身具有磁共振成像设备坐标系，在位置不发生移动的地方安装示踪器构成世界坐标系，在所述手术器械上设置手术器械示踪器构成手术器械坐标系；(2)用磁共振成像设备测量标定模特征点集I的坐标，用跟踪系统测量特征点集II的坐标，通过这两组坐标数据标定出磁共振成像设备坐标系和世界坐标系之间的变换关系；(3)将载有患者的病床推入磁共振成像设备的成像区域，由磁共振成像设备提供病灶的图像数据和磁共振成像设备坐标系的位姿，由跟踪系统提供跟踪系统坐标系、手术器械坐标系的位姿，结合步骤2的标定结果建立各坐标系之间的变换关系；(4)利用坐标系的变换，将所述病灶与手术器械放到同一坐标系下观测；(5)根据病灶与手术器械相对位置的图像，移动手术器械，将其放置目标位置，进行手术治疗操作。
8.如权利要求7所述的一种磁共振图像引导下的手术导航方法，其特征在于在所述世界坐标系中，所述病灶的任意一点坐标Vlesionworld，可以由此点在磁共振成像设备里的坐标Vlesionscan变换而来Vlesionworld=CscanworldVlesionscan]]>其中Cscanworld为事先标定好的磁共振成像设备坐标系与世界坐标系之间的变换关系。所述手术器械的任意一点的坐标VTworld，可以由此点在手术器械坐标系里的坐标VTtool变换而来VTworld=CtoolworldVTtool=(Cworldtrack)-1CtooltrackVTtool]]>Ctoolwrold=CtrackworldCtooltrack=(Cworldtrack)-1Ctooltrack.]]>其中，Cworldtrack为跟踪系统测量的世界坐标系和跟踪系统坐标系之间的变换关系，Ctooltrack为跟踪系统测量的手术器械坐标系和跟踪系统坐标系之间的变换关系。
9.一种采用权利1～6所述的磁共振图像引导下的手术系统的手术导航方法，其包括以下步骤(1)在由磁共振成像设备、跟踪系统、手术器械和病床组成的系统中，磁共振成像设备自身具有磁共振成像设备坐标系，在位置不发生移动的地方安装示踪器构成世界坐标系，在所述手术器械上设置手术器械示踪器构成手术器械坐标系，在所述病床上或者与病灶相对位置不变处设置病床示踪器构成病床坐标系；(2)用磁共振成像设备测量标定模特征点集I的坐标，用跟踪系统测量特征点集II的坐标，通过这两组坐标数据标定出磁共振成像设备坐标系和世界坐标系之间的变换关系；(3)将载有患者的病床推入磁共振成像设备的成像区域，由磁共振成像设备提供病灶的图像数据，由跟踪系统提供病床坐标系的位姿信息；(4)将病床拖出磁共振成像设备的成像区域，移动至手术区域，由跟踪系统提供跟踪系统坐标系、病床坐标系和手术器械坐标系的位姿，由磁共振成像设备提供磁共振成像设备坐标系，结合步骤2的标定结果建立各坐标系之间的变换关系；(5)利用坐标系的变换，将所述病灶与手术器械放到同一坐标系下观测；(6)根据病灶与手术器械相对位置的图像，移动手术器械，将其放置目标位置，进行手术治疗操作。
10.如权利要求9所述的一种磁共振图像引导下的手术导航方法，其特征在于在所述世界坐标系里观测病灶和手术器械时，磁共振成像设备扫描病灶，得到其图像上任意一点的坐标Vlesionscan，根据事先标定好的磁共振成像设备坐标系和世界坐标系之间的变换关系Cscanworld，将病灶的图像数据变换到世界坐标系中Vlesion,0world=CscanworldVlesion,0scan---(1)]]>其中下标0表示病床被推入成像设备，此时病床的坐标系位姿CPT，0track被跟踪系统探测，它在世界坐标系里的位姿为CPT,0world=CtrackworldCPT,0track=(Cworldtrack)-1CPT,0track---(2)]]>由以上两式可知此时病灶在病床坐标系中的位姿为Vlesion,0PT,0=CworldPT,0Vlesion,0world=(CPT,0track)-1CworldtrackCscanworldVlesion,0scan---(3)]]>成像完毕后，病灶随着病床运动到手术位置，用下标1表示，由于病灶和病床无相对移动，病灶在病床上的位姿保持不变Vlesion,1PT,1=Vlesion,0PT,0---(4)]]>此时病床的位姿CPT，1track被跟踪系统探测，它在世界坐标系里的位姿为CPT,1world=CtrackworldCPT,1track=(Cworldtrack)-1CPT,1track---(5)]]>由式(3)～(5)可得出此时病灶在世界坐标系里的位姿为Vlesion,1world=CPT,1worldVlesion,1PT,1=(Cworldtrack)-1CPT,1track(CPT,0track)-1CworldtrackCscanworldVlesion,0scan]]>手术器械在世界坐标系里的位姿为VTworld=CtoolworldVTtool=(Cworldtrack)-1CtooltrackVTtool]]>此时病灶和手术器械已经被放到世界坐标系中观测。
11.如权利要求7或8或9或10所述的一种磁共振图像引导下的手术导航方法，其特征在于所述步骤(2)中用标定模对各坐标系标定时，采用了旋转量和平移量分开标定的方法，其步骤如下(a)利用磁共振成像设备1测量特征点集I各点在磁共振成像设备坐标系里的坐标Xiscan(i＝1，2，...，nph)，由坐标Xiscan生成L个向量Discan，这L个向量Discan分布在不同的方向；(b)利用跟踪系统2测量特征点集II各点在跟踪系统坐标系里的坐标，从而得到特征点集I各点在跟踪系统坐标系里的坐标Xitrack(i＝1，2，...，nph)，在跟踪系统坐标系生成和向量Discan一一对应的向量Ditrack；(c)这两组向量满足变换关系为RscantrackDiscan=Ditrack(i=1,2,...,nph);]]>(d)由方程组RscantrackDiscan=Ditrack(i=1,2,...,nph)]]>可解出旋转矩阵Rscantrack，然后将它代入方程组RscantrackXiscan+Tscantrack=Xitrack(i=1,2,...,nph),]]>可解出Tscantrack，得到变换关系Cscantrack，进而得到磁共振成像设备坐标系和跟踪坐标系之间的变换关系Cscantrack。
12.一种采用权利1～6的磁共振图像引导下的手术系统的手术导航方法，其包括以下步骤(1)在病床上的患者体表设置至少三个与病灶之间无相对移动的导航标志，在所述手术器械上设置手术器械示踪器构成手术器械坐标系；(2)将载有患者的病床推入磁共振成像设备的成像区域，由磁共振成像设备提供病灶的图像数据和导航标志的图像数据；(3)将病床拖出磁共振成像设备的成像区域，移动至手术区域，首先用软件在病灶图像上提取导航标志在磁共振成像设备坐标系里的坐标，再用跟踪系统测量导航标志在跟踪系统坐标系里的坐标，根据这两组数据得到磁共振成像设备坐标系和跟踪系统坐标系之间的变换关系；(4)由跟踪系统提供跟踪系统坐标系、手术器械坐标系的位姿，由磁共振成像设备提供磁共振成像设备坐标系的位姿，结合步骤3的标定结果建立各坐标系之间的变换关系；(5)利用坐标系的变换，将所述病灶与手术器械放到同一坐标系下观测；(6)根据病灶与手术器械相对位置的图像，移动手术器械，将其放置目标位置，进行手术治疗操作。
13.如权利要求12所述的一种磁共振图像引导下的手术导航方法，其特征在于当患者到达手术区域后，用软件处理磁共振成像设备扫描得到的导航标志图像上，得到导航标志在磁共振成像设备坐标系里的坐标Miimg，其中i＝1，2，...，nnav；用跟踪系统测量导航标志，得到其在跟踪系统坐标系里的坐标Mitrack；病灶和手术器械的坐标之间的变换关系为CimgtrackMiimg=Mitrack---(1)]]>其中Cimgtrack为磁共振成像设备坐标系在跟踪系统坐标系里的位姿，通过式(1)可得到nnav个方程，并解出Cimgtrack，则病灶图像的任意一点Vlesionimg可变换到跟踪系统坐标系Vlesiontrack=CimgtrackVlesionimg---(2)]]>手术器械上某点T在手术器械坐标系里的坐标VTtool是已知的，将其变换到跟踪系统坐标系VTtrack=CtooltrackVTtool]]>其中Ctooltrack为跟踪系统测量的手术器械坐标系和跟踪系统坐标系之间的变换关系。此时病灶和手术器械已经被放到跟踪系统坐标系中观测。
14.如权利要求12所述的一种磁共振图像引导下的手术导航方法，其特征在于在所述步骤(1)中，增加一个与所述病灶位置相对保持不变示踪器作为新世界坐标系，其位姿Cworldtrack被跟踪系统测量，用下标0表示跟踪系统的位置传感器处于初始的标定位置，1表示跟踪系统的位置传感器移动到新位置；病灶的任意一点在世界坐标系里的坐标Vlesionworld可由此点在磁共振成像设备坐标系里的坐标Vlesionimg变换而来Vlesionworld=Ctrack,1worldVlesiontrack,1=Ctrack,1worldCtrack,0track,1Vlesiontrack,0=(Cworldtrack,1)-1Cworldtrack,1(Cworldtrack,0)-1Cimgtrack,0Vlesionimg]]>其中Cworldtrack，0为世界坐标系和初始位置上的跟踪系统坐标系之间的变换关系，Cworldtrack，1为世界坐标系和新位置1上的跟踪系统坐标系之间的变换关系，Cimgtrack，0磁共振成像设备坐标系和初始位置0上的跟踪系统坐标系之间的变换关系。所述手术器械的任意一点的坐标VTworld，可以由此点在手术器械坐标系里的坐标VTtool变换而来VTworld=CtoolworldVTtool=(Cworldtrack,1)-1Ctooltrack,1VTtool]]>其中，Cworldtrack，1为世界坐标系和新位置1上的跟踪系统坐标系之间的变换关系，Ctooltrack为手术器械坐标系和跟踪系统坐标系之间的变换关系。此时病灶和手术器械已经被放到世界坐标系中观测。
15.如权利要求7或8或9或10或11或12或13或14所述的一种磁共振图像引导下的手术导航方法，其特征在于所述步骤(2)中用标定模对各坐标系标定时，在所述导航系统的软件程序中设置有通过对特征点集I中特征点成像结果进行球心定位的程序，其包括以下步骤(1)首先假设截面图上圆的面积S与截面在扫描方向上的坐标值之间满足正态分布；(2)沿球在同一轴向任意扫描三幅不同位置的截面圆图像，或扫描得到两幅不同位置的截面圆图像后，拟合出第三幅截面圆图像，由该截面圆面积与该截面圆在扫描方向的坐标值组成一组值；(3)将获得的三组值，拟合出一条高斯曲线，曲线上面积最大点对应的坐标值即为球心在该扫描方向上的坐标值；(4)按照同样的方法，得到球心在另外两个坐标轴方向的坐标值，将每一个轴向坐标值，组合在一起即为球心坐标。
全文摘要
本发明涉及一种磁共振图像引导下的手术系统及手术导航方法，它包括磁共振成像设备，跟踪系统，手术器械，设置在所述磁共振成像设备上的病床，控制和显示设备，以及与各系统相连接的计算机及控制软件部分；其特征在于还设置有标定针和标定模；在所述磁共振成像设备上、所述手术器械上和病床上分别设置有构成世界坐标系、手术器械坐标系和病床坐标系的示踪器，所述各坐标系的位姿可以被所述跟踪系统测量；所述标定针与标定模型共同用于将所述病灶坐标和手术器械坐标变换到同一个坐标系中，实现标定。本发明能够实现手术器械相对于磁共振图像精确定位，及对介入手术进行术前规划和术中精确导航的磁共振图像引导下的介入手术系统及术中导航方法。
文档编号G01R33/48GK101019765SQ200710064930
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月29日 优先权日2007年3月29日
发明者赵磊, 韦巍, 刘华根, 徐进, 汤青, 魏晓健, 吴水华, 甘中学 申请人:新奥博为技术有限公司